揭秘如何提高绿光LED能效问题

　　众所都知，绿光LED的性能水平达不到同等红光和蓝光led。但可以通过降低电流密度、使用一个更大的芯片以及优化生长条件来减少黑点，能够尽可能缩小在100mA驱动电流条件下，达到190lm/W的LED之间的距离。欧司朗的AndreasL？ffler和MichaelBinder如是说。

　　LED灯泡最大的诟病仅次于价格的是不理想的颜色。这个缺点是由制作白光LED的过程中产生的：GaN基蓝光芯片激发黄色荧光粉，混合这两种颜色产生白光。用这种方法，可见光谱的红光区域并没有对光输出有多大贡献。

　　白光LED照明产品制作的更高级方法—也是固态投影显示的一种方法—即以红、绿、蓝为材质的LED，混合而产生白光。这种方法的优点是不会局限于更高的显色指数，同时也可以达到更高的光效和灵活的控制色彩。

　　用混合颜色的方式产生高能效的系统，必须采用高效光源。蓝光和红光LED的性能已经很显著，近期的技术改进，促使峰值功率转换效率超过81%和70%，但是绿光LED的性能却远远落后。这种以GaN为主的LED效力不高的现象被称为"绿光缺口"。

　　绿光波长波段

　　提高绿光LED的效率面临很大挑战，因为无法利用理想成熟的材料系统。用来创造高效蓝光LED的III-N系列，在波长更长的情况下效率会变低，而在红光的波段范围内效率很高的III族磷化物也面临一样的苦恼;延伸这一类LED的光发射更短的波长，效率会降低，简而言之，材料系统在黄绿色谱范围里效率很低。

　　图一：在不同的波长下，III族氮化物（绿色数据点）和III族磷化物LED（红光数据点）的发光效率。蓝线代表国际照明委员会 （CIE）1924年的光度函数乘以电光转换效率（WPE）相应的值。用黄颜色标注的是黄绿范围，既没有被II族氮化物也没被III族磷化物充分覆盖。这就是绿色缺口问题的本质。

　　对于III族磷化物而言，发射光到绿色波段成为了材料系统的基础障碍。改变AlInGaP的成分让它发绿光，而不是红光、橙色或者黄色—造成载波限制不充分，是由于材料系统相对低的能隙，排除有效的辐射复合。

　　相比之下，III族氮化物要达到高效难度更大，但困难并不是无法逾越的。用这个系统，将光延伸到绿光波段，会造成效率降低的两个因素是：外部量子效率和电效率的下降。

　　外部量子效率下降来源于绿光LED需要采用高正向电压。这些设备有着很高的内部电压场。因此在给定电压下，尽管带隙更低，但应用于此类LED的电压会更高。更高的驱动电压使得电源转换率下降。第二个缺点是绿光LED随注入电流密度增大而下降，被droop效应所困。Droop效应也出现在蓝光 LED中，但在绿色LED中影响更甚，导致常规的操作电流效率更低。

　　（图二）在波长为442nm和530nm的1mm2蓝光InGaN和绿色GaN，外部量子效率对比

　　droop效应的成因在氮化物行业中引起了激烈的讨论。因为造成droop效应的损失率在电致发光和光致发光刺激下对电荷载体密度有着立方依赖，大部分猜测都指向俄歇复合是droop效应的成因。

　　然而，造成droop效应成因猜测很多，不仅仅只有俄歇复合这一种---其中包括了错位、载体溢出或者电子泄漏。后者是由高压内部电场增强的。

　　绿光的发展方向

　　位于德国雷根斯堡的欧司朗光电半导体公司，一直在稳定地提高绿光LED的发光效率。2008年，在MatthiasPeter的带领下，同事报道了1mm2，527nmThinGaN基芯片在350mA电流条件下，光通量为100lm.发光效率等于73lm/W.两年后，采用 GoldenDragonPlus封装的优化1mm2芯片，可将发光效力提升到100lm/W。在这种驱动电流条件下，光通量为117lm，当投入1A的电流时可获得224lm的光通量。

　　近来，我们使绿光LED的性能再次更上一层楼。基于c平面蓝宝石衬底MOCVD生长的LED，作用区域有5-7个InGaN量子阱嵌在GaN垒层，这样做可能会有更高的效能。5μm厚的硅掺杂缓冲层巩固作用区域，这个作用区域被30nm厚的镁掺杂p型AlGaN电子阻挡层和140nm厚的镁掺杂 GaN接触层所覆盖。

　　我们对比这个结构和由生产线上取下的装置，发现它们的作用区所产生的光致发光（见图3）。通过大容量装置，光致发光显微图发现了强度上的不均匀，有黑点图案的出现。黑点的密度相当于六角晶体缺陷（V-pits）密度，使我们有理由猜测这些黑点和V-pits之间的强关联性。已有一些研究支持这个观点，证实点对点的相关性。

　　图3：（a）是从生产线取来器件的光致发光的微型图，（b）是研究样品的光致发光的微型图。为了更好的对比，图片的低处部分只用灰色显示。

根据光致发光的微型图可以看到，在作用区域降低生长率能够大幅度提高量子阱材料